CN107437587A - 一种在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法 - Google Patents

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丁文辉
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Abstract

本发明公开了一种在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法，该方法是，在用两步法制备钙钛矿活性层时，在碘化铅溶液中加入适量的吡啶类有机小分子作为添加剂，通过该方法，可以减小钙钛矿活性层制备时受湿度的影响，在高湿度的自然空气条件下，依然能制备出较高质量的钙钛矿活性层，得到高效率的钙钛矿太阳能电池，实现了空气中高效率钙钛矿太阳能电池的制备，可以减少其制备成本，有利于钙钛矿太阳能电池的产业化的进行。

Description

一种在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法
技术领域
本发明涉及一种在空气中制备钙钛矿太阳能电池的方法，特别涉及一种在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。
背景技术
随着经济的不断发展，化石能源的日益枯竭，生态环境持续恶化，找寻清洁新能源已经成世界各国最为重要的研究课题。太阳能作为地球上储量最丰富，地域范围最广的清洁可再生能源受到广泛关注，其中目前市面上应用最广的硅基太阳能电池等器件，由于其原材料和制备工艺要求苛刻，导致利用成本居高不下，寻找低成本的太阳能电池材料和技术已成为太阳能电池领域的研究重点。
钙钛矿太阳能电池由于其光电性能优异，能带宽度适宜，摩尔吸光系数高，光吸收能力强，且具有双极性载流子运输性质，电子和空穴运输距离长，载流子寿命长等优点，受到了广泛的关注，在短短的几年内，光电效率从开始的3.8％迅速的增加到22％，成为光伏领域的研究热点。钙钛矿太阳能电池除具有较高的光电效率之外，它还具有材料合成成本低，合成条件温和，合成方法多样等优点，是一类非常具有应用前景的新型太阳能电池。
对于钙钛矿太阳能电池器件，高质量的钙钛矿薄膜是高性能的必要条件，常用的钙钛矿膜的制备方法有一步溶液法、两步溶液法、气相沉积法、蒸汽辅助法等。由于钙钛矿材料对水特别不稳定，所以在制备高质量的钙钛矿膜都需要严格控制湿度，实验室一般都是在充满氮气或氩气的惰性环境下进行制备，这种苛刻的条件严重阻碍了它的大规模、工业化生产的进程。
发明内容
针对现有的钙钛矿薄膜制备方法存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种在空气中或高湿度条件下制备高质量钙钛矿活性层的方法，有利于进一步获得高性能钙钛矿太阳能器件，降低钙钛矿太阳能器件的生产成本。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法，该方法包括以下步骤：
(1)在碘化铅的有机溶液中，加入适量吡啶类有机小分子作为添加剂，旋涂在已涂好二氧化钛介孔层的FTO导电玻璃衬底上，既在介孔层二氧化钛层表面形成碘化铅膜层；
(2)将所述碘化铅膜层置于含碘化甲胺的异丙醇溶液中浸泡后，退火处理，即在介孔层二氧化钛层表面生成钙钛矿活性层。
优选的方案，吡啶类有机小分子添加剂的沸点较低，能够在碘化铅的退火过程中除去，可以选择3,5-二甲基吡啶，4-乙基吡啶，4-叔丁基吡啶等低沸点的吡啶类小分子衍生物。
优选的方案，添加剂的量为每1mL的碘化铅溶液加入20～200μL。
本发明的钙钛矿太阳能电池的制备方法，主要包括：在透明的衬底上形成致密的二氧化钛层；在所述二氧化钛致密层上形成二氧化钛介孔层；在所述二氧化钛介孔层上形成钙钛矿活性层；在所述钙钛矿活性层上形成空穴传输层；在所述空穴传输层上形成背电极层，得到所述的钙钛矿太阳能电池器件。这是本领域技术人员公知的；具体的步骤如下：
a)FTO导电玻璃的清洗：将FTO导电玻璃依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗15min，烘干备用；
b)在FTO导电玻璃衬底上旋涂二氧化钛致密层溶液，转速为4000r/min，旋涂时间为20s，120℃处理5min，然后450℃热处理30min；
c)在二氧化钛致密层上旋涂二氧化钛介孔层溶液，转速为5000r/min，旋涂时间为30s，120℃理5min，然后500℃热处理30min；
d)在二氧化钛介孔层上旋涂碘化铅溶液，转速为6500r/min，旋涂时间为30s，70℃退火30min；
e)将上述碘化铅膜浸泡在碘化甲胺的异丙醇溶液中，浸泡2min，使碘化铅转化成钙钛矿，5000r/min的转速下将溶液旋干，70℃退火30min；
f)在上述钙钛矿膜上形成空穴传输层，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD、P3HT或其他有机空穴材料；
g)在上述空穴传输层上蒸镀金属电极，所述的金属电极为银电极或金电极。
本发明的技术方案的改进主要是对步骤d)的改进，在碘化铅溶液中加入吡啶类有机小分子作为添加剂，能够在高湿度的自然空气下制备高质量的钙钛矿活性层，获得高效率的钙钛矿太阳能电池。
相对现有技术，本发明的技术方案的优势在于：在制备钙钛矿活性层过程中采用了吡啶类小分子添加剂，添加剂中吡啶环能够与碘发生很好的配位，在一定程度上对铅离子起到保护作用，在碘化铅的旋涂过程中，可以降低了水对碘化铅结晶和成膜的影响，从而实现空气中碘化铅的旋涂及生成钙钛矿活化层，即使是在相对湿度超过70％的自然空气环境下，也能制备出高质量的钙钛矿活性层。且吡啶类有机小分子添加剂还能在一定程度上改善钙钛矿活性层的致密度，提高其纯度，改善其表面缺陷，可以提高太阳能电池器件的光电转化效率。
附图说明
【图1】是本发明钙钛矿太阳能电池器件结构示意图。
【图2】是本发明实例1中钙钛矿太阳能电池器件截面SEM图。
【图3】是本发明实例中在相对湿度为45％下的钙钛矿太阳能电池器件电流与电压关系曲线图。
【图4】是本发明实例中在相对湿度为70％下的钙钛矿太阳能电池器件电流与电压关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实例对本发明内容作进一步详细描述，而不是限制本发明权利要求的保护范围。
实施例1
如图1所示，钙钛矿太阳能电池器件结构包括：FTO导电玻璃玻璃基底，二氧化钛致密层，二氧化钛介孔层，钙钛矿活性层，空穴传输层，金属阴极。
该实例中，所选添加剂3,5-二甲吡啶，加入量为，每1mL的碘化铅溶液加入100μL。
该实例中，钙钛矿活性层制备的具体步骤为：配置1mol/L的碘化铅溶液，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，1mL碘化铅溶液加入100μL 3,5-二甲吡啶，碘化铅和涂有二氧化钛介孔层的玻璃衬底在70℃下预热，然后将碘化铅溶液旋涂在二氧化钛介孔层上，70℃退火后，浸泡在10mg/mL的碘化甲胺溶液中，退火后得到钙钛矿活性层。
该实例中，空穴传输层是Spiro-OMeTAD，金属电极是银。
该实例中，制备过程在相对湿度控制为45％和70％两个条件下进行。
图2为本发明实例中钙钛矿太阳能器件截面的SEM图，实例中致密层二氧化钛的厚度约为30nm，介孔层二氧化钛厚度约为300nm，钙钛矿活性层厚度约为200nm，Spiro-OMeTAD的厚度约为100nm，银电极的厚度为100nm。
实施例2
该实例中，添加剂为4-乙基吡啶，每1mL的碘化铅溶液加入100μL。
该实例中，空穴传输层是Spiro-OMeTAD，金属电极是银。
该实例中，钙钛矿太阳能器件结构，制备过程和各层厚度与实例1一致。
该实例中，制备过程在相对湿度控制为45％和70％两个条件下进行。
实施例3
该实例中，添加剂为4-叔丁基吡啶，每1mL的碘化铅溶液加入100μL。
该实例中，空穴传输层是Spiro-OMeTAD，金属电极是银。
该实例中，钙钛矿太阳能器件结构，制备过程和各层厚度与实例1一致。
该实例中，制备过程在相对湿度控制为45％和70％两个条件下进行。
对比实施例
该实例中，碘化铅的有机溶液中未加入添加剂。
该实例中，空穴传输层是Spiro-OMeTAD，金属电极是银。
该实例中，钙钛矿太阳能器件结构，制备过程和各层厚度与实例1一致。
该实例中，制备过程在相对湿度控制为45％和70％两个条件下进行。
图3和图4分别为本发明各实例在相对湿度为45％和70％条件下制备的钙钛矿太阳能电池器件的J-V曲线图，其详细参数数据列于表1中。
表1 实例中钙钛矿太阳能电池器件的光电性能参数汇总表

Claims (4)

1.一种在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在碘化铅的有机溶液中，加入适量吡啶类有机小分子作为添加剂，旋涂在已涂好二氧化钛介孔层的FTO导电玻璃衬底上，既在介孔层二氧化钛层表面形成碘化铅膜层；
(2)将所述碘化铅膜层置于含碘化甲胺的异丙醇溶液中浸泡后，退火处理，即在介孔层二氧化钛层表面生成钙钛矿活性层。
2.根据权利要求1所述的在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法，其特征在于：所述吡啶类有机小分子添加剂的沸点较低，在70℃碘化铅退火过程能够挥发除去，其分子结构可概括为其中R1，R2，R3为-H或-CH3、-C2H5、-C3H7、-C(CH3)3等烷基。
3.根据权利要求1所述的在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法，其特征在于：所述碘化铅的有机溶液中所述的吡啶类有机小分子，吡啶类有机小分子的加入量为每1mL的碘化铅有机溶液加入20～200μL。
4.根据权利要求1所述的在空气中制备钙钛矿太阳能电池钙钛矿活性层的方法，其特征在于：所述制备过程不需在手套箱中进行，无需严格控制湿度。
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